iData_地质雷达及其应用实例_茹瑞典
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位)区别管材的材质是可能的。类似的工作在北京、
山西等地也进行过，其特点同图6的例子一致.
例4矿区地质调查
为调查京西矿某地段灰岩分布情况，进行了地
质雷达探测工作。图7-1是地质雷达的探测结果
—时间剖面。图7-2是根据地质雷达时间剖面解
褶积、叠加等。或者可将地质雷达数据转换成地震处
理格式,用地震处理软件进行处理,这样使处理方法
更丰富,能取得更好的效果.在数据处理方面没有更
新的内容,这里不再详述。
2地质雷达的应用
地质雷达应用从1960年(J.e.eook)矿井中
试验开始至今,应用范围越来越广泛.从探测时电磁勘察科学技术
地质调查工作，可取得较好的地质效果;如果有钻探
工作进行配合，也可进行岩性解释。
l犷寸l飞IJ/n、
C(，刁口乃匀l一屯心【心一
二-C二〔二二二二二之二C:二，
二二二二汇二二二C‘口(二之〕
一卜冲叫，神开卜伸冲冲叫一斗~.针如””.~如一”，n+片”阶时侧十m
磁波(电磁射冲),当波前遇到目标体或其他介质的
界面时返回地面;测量信号返回地面的时间,井根据
接收天线与发射天线的位置来计算目标体的位里和
深度.我们可用图1(地质雷达工作原理示意图)加
以说明.图中T为发射夭线,R为接收天线,两者间
距为x.H为反射点的埋深.波从T出发,按几何光
作者简介:茹瑞典.男,55岁,高级工程师,从事地球物理
勘察科学技术1995年第2期
地质雷达及其应用实例
茄瑞典
煤炭科学院北京开采研究所北京市10007
提要本文简要介绍了地质雷达的原理以及目前的应用发展状况,并通过不同类型的工穆实例说明地
质雷达的应用效果。地质雷达是一种有广阔应用前途的物探方法.
关健词地质雷达电进波反射时间剖面波形
GEORADARANDITSAPPLICATIONCASEHISTORY
RuReldl..
(厌ijnig】n,tituteofExP一oitat沁n.Ac.demyorCOa」歇沁nces)
Abs*r.etThsiPaPerbriefly认trodueesthePr讥dPleofg亡ordaarandthePresentstatusofitsaPPlidedevel-
切‘\宜岔
侣\日吕.。“二遏树聪
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su/宜粉口
图4深圳某基岩面及潜水面勘察
变化和分布状态显示清晰。图中附有60号测点附近
的k}钻孔柱状图。地质雷达解释结果同钻探结果比
较，两者相吻合(地质雷达解释结果比钻探结果浅
0. 6m ).该例子说明，只用一个钻孔并不能详细了解
向上散射增益为G.;同样考虑波的散射和介质的吸
收,散射波到达接收点的功率密度为P,,则
P:=P一氏一G。一(1/4二rZ).e一2,
接收天线的有效接收面积为Ar(对偶极天线Ar
~护4/劝;接收天线的效率为N,;接收机接收到的总
功率为w,·
WR=PtA,GrN:
将P.、P,代入上式得:
对应两点的反射波到达时间,可得到波速值v:1995年第2期勘察科学技术
对于共中心点的不同天线间距x可计算多个速度
值,取平均值作为该地段的平均波速.上述计算过程
很简便,只要将野外共反射点记录储存后,输入计算
机直接打印出速度图供选用。
才才才
、、、、
马马、...
发发射机机机接收机机
图3功率传泛图示
仪器的最小接收功率,该目标体就超出了地质雷达
的探测能力。从(4)式中可以看出N,、N,总是小于
1,由于重量和体积的限制,天线的效率G不便设计
得很大,w:实际上是个很小的值,这一点说明了地
质雷达用于探测地面下介质时,探测探度受到约侧。
严格讲,雷达公式除(4)式外,还应当包括
(l)式.因为(4)式表达了能否接收到来自目标体
质的衰减系数为日;目标体反射面距发射夭线的距离
为r。设人射波到目标体表面的功率密度为P:。入射
波方向上天线方向性增益为G:。则:
P,=W,N`G、·(1/4二rZ)·e一沙
式中,w丫N:为发射天线的辐射功率,w:N:一w:。
若目标体的散射截面为氏,目标体到接收点方
式(4)即为雷达公式。如果接收功率w二小于
地质留达简介
将雷达用于发现、追踪地面以下目标,异常体或
地质现象的叫地质雷达、也称探地雷达.这是一门新
的探测技术.
雷达用于探测地下目标的试验,始于本世纪初,
由于科学技术条件的限制,地质雷达的研究工作进
展缓慢,一直未达到实质性应用阶段。近年来随着高
孩徽电子技术和计算机数据处理方法水平的提高,
1976年以后A. P. Annan和J. L. Daris等)，煤矿
矿井探测(1975年J. C. cook )，泥炭调查(1982年
C. P. F. Uiriksen)、放射性废物处理调查(1982年
D. L. Wright)、以及地质构造填图、水文地质调查、
地基和道路下空洞及裂缝调查、掩埋物探探测和水
地质雷达这一技术得到了长足的进步。目前地质雷
达已进入初期实用性阶段,美国、日本、瑞典、加拿
大等国有商用地质雷达;我国的军工、地质、煤炭、
铁道等部门的一些科研单位,也在加紧地质雷达的
研究工作,并已取得了初步成效。
1.1工作原理
雷达属高颇电磁波,地质雷达的工作原理即基
于电磁波的反射原理.通过天线向地下发射高频电
断层的确切位置，在巷道0^} 32-r 60号测点沿水平
方向进行地质雷达探测工作。下图是探测结果-—
地质雷达时间剖面。剖面中有相位连续、振幅强、其
频率约20MH:的强反射面;地质雷达解释结果确
认，该界面即是Fs_。断层的显示，图中文字标明了地
质雷达解释结果。断层距。号测点的水平距离为
lOm，距25号测点的水平距离为15m。在时间剖面图
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15ageoPhysicajmethodwithbroadProsPeetofaPPlication.
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式(2)中c为光速;。,为介质的相对介电常数,可
从有关书中查得.
另一种方法是用共反射点法直接进行测量。图2
是共反射点测量过程(上图)和测量记录曲线(下
图)。O为共中心点,即测量对称中心点;人为共反射
点,其深度为H;T:、T:、·…为反射天线位置,R,、
R:、…`为与T对应的接收天线的位置。测t任何
W,~W:N:N,G:G,氏G:·(入2/64:,r`)·e一`.(4)
图2共反射点测t方法图示
地质雷达工作目的,不仅要了解目标体的位置,而且
希望了解目标体的性质(如何种界面,空洞性质).前
者由(1)式表达,后者则取决于目标体对电磁波的
冲击响应特性。根据惠更斯原理,波前遇到两介质的
接触界面时,在界面上形成新的波源;该波源在时域
坝、隧道、古墓遗迹探查，以及环境污染调查等等。
近几年我们进行了地质雷达的应用研究工作，
现介绍几个探测工程方面的应用实例。
例1水文地质调查
图4是在调查基岩面及潜水位分布情况时，所
得到的一张地质雷达时间剖面。图中显示出两个反
射面—基岩面、潜水位(图中文字标明)。其起伏
图5邢台矿地质构造调查地质雷达时问剖面
过.实践证明地质雷达的解释结果是正确的。该例子
说明地质雷达用于井下探测，也是很好的一种探测
手段。
例3地下管线探测
图6是调查地下管线的地质雷达时间剖面。图
吕\任。O洲.011﹄日\侧毋
000 00 0000
11八乙住目J任
波形及频域的频谱特性上,因界面性质的差异有不
同特点,这就是冲击响应特性。根据反射波的时域波
形及频域频谱特性来识别目标体的性质.
1.2雷达公式
雷达公式表达了接收点接收到的反射波强度.
我们将图1转换成图3的形式来说明雷达波的功率
传送过程。
设发射机的功率为w,;发射天线的效率为N:,
其辐射功率为w:。发射天线幅射近似球面发散,介
起伏、埋深变化都较大的基岩面、潜水位在整个测线
上的变化情况;极少量的钻孔配合全区的地质雷达
工作，则可达到事半功倍的效果。
例2矿井地质构造调查
图5是一个在矿井下沿水平方向探测的例子。
上图是探测位置平面图，地质推测有F s_。断层，但为
证实Fs_。断层存在的探巷却未见断层.为证实Fs-e
中还可以看出，从20号测点开始，探巷在地质雷达
时间剖面图反映也很明显(图中文字标明).在以后
的巷发掘进过程中，位于一116. 1处见到F‘一。断层通
图6西安煤气公司水泥管和暖气管道探测
中用文字标明管材的性质，箭头指明了管道的中心
位置和深度。管材的材质不同，在地质雷达剖面中的
波形特征差别很大，说明根据波形特征(频率、相
├───┼───────────────┼──┼───────┼───┼───┬─────┬──┐
│ │l │l │ │形业 │睡 │汗 │ │
三\恻迷
探度‘，:
~仁‘乙心卜心
屯二O勺卜亡合夕
犷一0 IOOm/ns
竺留东花、、0
十一冲~咔-州~咔~咭，十甲+，十一
┌───┬───────────────┬──┬───────┬───┐
│ │1.泞‘__ │ │~令 │尽苏三│
的散射波;(1)式则表达了目标体的位置。两者是地
质雷达所要解决的关键问题。
1.3数据处理
目前地质雷达从数据采集、储存、到数据处理都
已实现数字化.由于地质雷达的电磁波与地震勘探
中的地震波传播原理相似,所以其数据处理方法,与
地震勘探基本相同。主要有静校正、速度分析、带通
(FFT)滤波、频率一波数(j一的滤波,偏移和反
├───┼───────────────┼──┼───────┤ │ │ │ │
勘探。
学原理经:返回地面到达R的时间为t.设电磁波在介质中
的传播速度为v.由简单的几何关系可得出:
t一(l/v)叭H,+x:(1)
图1地质,达工作原理
我们可把()l式称为时距公式,表达了目标体
位置与时间的关系。电磁波在介质中的传播速度v
有两个确定方法。
一个是用近似公式计算,即
v、C/订万(2)
├───┼───────────────┼──┤ │ │
│ │一气厂一一 │ │ │ │
孔柱状图。地质雷达解释结果与钻探结果对比，两者
基本吻合，界面深度误差约lm.只是钻探证实的
1995年第2期
勘察科学技术
却:孔
zu/任00洲.011﹂
17m深度处的灰岩，地质雷达未能指出界面的性质。
但在时间剖面图中在深17~18m处，确有一连续性
好的界面。该实例说明地质雷达用来进行较简单的
1995年第2期
2尸l/任0闪一
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‘...Les..‘‘..‘l
n曰门曰﹄日︺nU门
自曰价曰日八曰n曰
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波吸收较弱的冰川、冰山厚度，逐渐扩大并渗透到许
多部门中。如工程地质探测(1974年R. M. Morey;
山西等地也进行过，其特点同图6的例子一致.
例4矿区地质调查
为调查京西矿某地段灰岩分布情况，进行了地
质雷达探测工作。图7-1是地质雷达的探测结果
—时间剖面。图7-2是根据地质雷达时间剖面解
褶积、叠加等。或者可将地质雷达数据转换成地震处
理格式,用地震处理软件进行处理,这样使处理方法
更丰富,能取得更好的效果.在数据处理方面没有更
新的内容,这里不再详述。
2地质雷达的应用
地质雷达应用从1960年(J.e.eook)矿井中
试验开始至今,应用范围越来越广泛.从探测时电磁勘察科学技术
地质调查工作，可取得较好的地质效果;如果有钻探
工作进行配合，也可进行岩性解释。
l犷寸l飞IJ/n、
C(，刁口乃匀l一屯心【心一
二-C二〔二二二二二之二C:二，
二二二二汇二二二C‘口(二之〕
一卜冲叫，神开卜伸冲冲叫一斗~.针如””.~如一”，n+片”阶时侧十m
磁波(电磁射冲),当波前遇到目标体或其他介质的
界面时返回地面;测量信号返回地面的时间,井根据
接收天线与发射天线的位置来计算目标体的位里和
深度.我们可用图1(地质雷达工作原理示意图)加
以说明.图中T为发射夭线,R为接收天线,两者间
距为x.H为反射点的埋深.波从T出发,按几何光
作者简介:茹瑞典.男,55岁,高级工程师,从事地球物理
勘察科学技术1995年第2期
地质雷达及其应用实例
茄瑞典
煤炭科学院北京开采研究所北京市10007
提要本文简要介绍了地质雷达的原理以及目前的应用发展状况,并通过不同类型的工穆实例说明地
质雷达的应用效果。地质雷达是一种有广阔应用前途的物探方法.
关健词地质雷达电进波反射时间剖面波形
GEORADARANDITSAPPLICATIONCASEHISTORY
RuReldl..
(厌ijnig】n,tituteofExP一oitat沁n.Ac.demyorCOa」歇沁nces)
Abs*r.etThsiPaPerbriefly认trodueesthePr讥dPleofg亡ordaarandthePresentstatusofitsaPPlidedevel-
切‘\宜岔
侣\日吕.。“二遏树聪
!川se50[ee00lwe50lwees001!
su/宜粉口
图4深圳某基岩面及潜水面勘察
变化和分布状态显示清晰。图中附有60号测点附近
的k}钻孔柱状图。地质雷达解释结果同钻探结果比
较，两者相吻合(地质雷达解释结果比钻探结果浅
0. 6m ).该例子说明，只用一个钻孔并不能详细了解
向上散射增益为G.;同样考虑波的散射和介质的吸
收,散射波到达接收点的功率密度为P,,则
P:=P一氏一G。一(1/4二rZ).e一2,
接收天线的有效接收面积为Ar(对偶极天线Ar
~护4/劝;接收天线的效率为N,;接收机接收到的总
功率为w,·
WR=PtA,GrN:
将P.、P,代入上式得:
对应两点的反射波到达时间,可得到波速值v:1995年第2期勘察科学技术
对于共中心点的不同天线间距x可计算多个速度
值,取平均值作为该地段的平均波速.上述计算过程
很简便,只要将野外共反射点记录储存后,输入计算
机直接打印出速度图供选用。
才才才
、、、、
马马、...
发发射机机机接收机机
图3功率传泛图示
仪器的最小接收功率,该目标体就超出了地质雷达
的探测能力。从(4)式中可以看出N,、N,总是小于
1,由于重量和体积的限制,天线的效率G不便设计
得很大,w:实际上是个很小的值,这一点说明了地
质雷达用于探测地面下介质时,探测探度受到约侧。
严格讲,雷达公式除(4)式外,还应当包括
(l)式.因为(4)式表达了能否接收到来自目标体
质的衰减系数为日;目标体反射面距发射夭线的距离
为r。设人射波到目标体表面的功率密度为P:。入射
波方向上天线方向性增益为G:。则:
P,=W,N`G、·(1/4二rZ)·e一沙
式中,w丫N:为发射天线的辐射功率,w:N:一w:。
若目标体的散射截面为氏,目标体到接收点方
式(4)即为雷达公式。如果接收功率w二小于
地质留达简介
将雷达用于发现、追踪地面以下目标,异常体或
地质现象的叫地质雷达、也称探地雷达.这是一门新
的探测技术.
雷达用于探测地下目标的试验,始于本世纪初,
由于科学技术条件的限制,地质雷达的研究工作进
展缓慢,一直未达到实质性应用阶段。近年来随着高
孩徽电子技术和计算机数据处理方法水平的提高,
1976年以后A. P. Annan和J. L. Daris等)，煤矿
矿井探测(1975年J. C. cook )，泥炭调查(1982年
C. P. F. Uiriksen)、放射性废物处理调查(1982年
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地基和道路下空洞及裂缝调查、掩埋物探探测和水
地质雷达这一技术得到了长足的进步。目前地质雷
达已进入初期实用性阶段,美国、日本、瑞典、加拿
大等国有商用地质雷达;我国的军工、地质、煤炭、
铁道等部门的一些科研单位,也在加紧地质雷达的
研究工作,并已取得了初步成效。
1.1工作原理
雷达属高颇电磁波,地质雷达的工作原理即基
于电磁波的反射原理.通过天线向地下发射高频电
断层的确切位置，在巷道0^} 32-r 60号测点沿水平
方向进行地质雷达探测工作。下图是探测结果-—
地质雷达时间剖面。剖面中有相位连续、振幅强、其
频率约20MH:的强反射面;地质雷达解释结果确
认，该界面即是Fs_。断层的显示，图中文字标明了地
质雷达解释结果。断层距。号测点的水平距离为
lOm，距25号测点的水平距离为15m。在时间剖面图
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15ageoPhysicajmethodwithbroadProsPeetofaPPlication.
胶ey,,rd*吕eorda公子electro一magn亡tcir七nectlon犷t如ePro份e`wa代ofr功.
式(2)中c为光速;。,为介质的相对介电常数,可
从有关书中查得.
另一种方法是用共反射点法直接进行测量。图2
是共反射点测量过程(上图)和测量记录曲线(下
图)。O为共中心点,即测量对称中心点;人为共反射
点,其深度为H;T:、T:、·…为反射天线位置,R,、
R:、…`为与T对应的接收天线的位置。测t任何
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图2共反射点测t方法图示
地质雷达工作目的,不仅要了解目标体的位置,而且
希望了解目标体的性质(如何种界面,空洞性质).前
者由(1)式表达,后者则取决于目标体对电磁波的
冲击响应特性。根据惠更斯原理,波前遇到两介质的
接触界面时,在界面上形成新的波源;该波源在时域
坝、隧道、古墓遗迹探查，以及环境污染调查等等。
近几年我们进行了地质雷达的应用研究工作，
现介绍几个探测工程方面的应用实例。
例1水文地质调查
图4是在调查基岩面及潜水位分布情况时，所
得到的一张地质雷达时间剖面。图中显示出两个反
射面—基岩面、潜水位(图中文字标明)。其起伏
图5邢台矿地质构造调查地质雷达时问剖面
过.实践证明地质雷达的解释结果是正确的。该例子
说明地质雷达用于井下探测，也是很好的一种探测
手段。
例3地下管线探测
图6是调查地下管线的地质雷达时间剖面。图
吕\任。O洲.011﹄日\侧毋
000 00 0000
11八乙住目J任
波形及频域的频谱特性上,因界面性质的差异有不
同特点,这就是冲击响应特性。根据反射波的时域波
形及频域频谱特性来识别目标体的性质.
1.2雷达公式
雷达公式表达了接收点接收到的反射波强度.
我们将图1转换成图3的形式来说明雷达波的功率
传送过程。
设发射机的功率为w,;发射天线的效率为N:,
其辐射功率为w:。发射天线幅射近似球面发散,介
起伏、埋深变化都较大的基岩面、潜水位在整个测线
上的变化情况;极少量的钻孔配合全区的地质雷达
工作，则可达到事半功倍的效果。
例2矿井地质构造调查
图5是一个在矿井下沿水平方向探测的例子。
上图是探测位置平面图，地质推测有F s_。断层，但为
证实Fs_。断层存在的探巷却未见断层.为证实Fs-e
中还可以看出，从20号测点开始，探巷在地质雷达
时间剖面图反映也很明显(图中文字标明).在以后
的巷发掘进过程中，位于一116. 1处见到F‘一。断层通
图6西安煤气公司水泥管和暖气管道探测
中用文字标明管材的性质，箭头指明了管道的中心
位置和深度。管材的材质不同，在地质雷达剖面中的
波形特征差别很大，说明根据波形特征(频率、相
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三\恻迷
探度‘，:
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的散射波;(1)式则表达了目标体的位置。两者是地
质雷达所要解决的关键问题。
1.3数据处理
目前地质雷达从数据采集、储存、到数据处理都
已实现数字化.由于地质雷达的电磁波与地震勘探
中的地震波传播原理相似,所以其数据处理方法,与
地震勘探基本相同。主要有静校正、速度分析、带通
(FFT)滤波、频率一波数(j一的滤波,偏移和反
├───┼───────────────┼──┼───────┤ │ │ │ │
勘探。
学原理经:返回地面到达R的时间为t.设电磁波在介质中
的传播速度为v.由简单的几何关系可得出:
t一(l/v)叭H,+x:(1)
图1地质,达工作原理
我们可把()l式称为时距公式,表达了目标体
位置与时间的关系。电磁波在介质中的传播速度v
有两个确定方法。
一个是用近似公式计算,即
v、C/订万(2)
├───┼───────────────┼──┤ │ │
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孔柱状图。地质雷达解释结果与钻探结果对比，两者
基本吻合，界面深度误差约lm.只是钻探证实的
1995年第2期
勘察科学技术
却:孔
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17m深度处的灰岩，地质雷达未能指出界面的性质。
但在时间剖面图中在深17~18m处，确有一连续性
好的界面。该实例说明地质雷达用来进行较简单的
1995年第2期
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波吸收较弱的冰川、冰山厚度，逐渐扩大并渗透到许
多部门中。如工程地质探测(1974年R. M. Morey;